Как мозг и нервы создают электрические импульсы?

Это очень большой вопрос! Попробую изложить основной вид.

Во-первых, давайте рассмотрим, как нейроны передают сигналы друг другу. Канонический способ, которым нейрон посылает сигнал нижестоящему нейрону, — это генерация потенциала действия , «электрического импульса», о котором вы слышали. Этот потенциал действия вызывает высвобождение нейротрансмиттера в точке, где две клетки находятся очень близко друг к другу, называемой синапсом . Нижняя постсинаптическая клетка получает сигнал нейротрансмиттера и преобразует его в слабый электрический сигнал. Если за короткое время происходит достаточное количество этих небольших электрических сигналов, они суммируются и, вероятно, инициируют потенциал действия во второй клетке, и цикл повторяется по всей цепи.

Как генерируется электрический сигнал? Основы того, как это работает, были разработаны Ходжкиным и Хаксли в 1952 году. Коротко о том, что плазматическая мембрана избирательно проницаема для ионов . Давайте построим концепцию с нуля.

Набор инструментов

1. Представьте себе сферу плазматической мембраны, которая представляет собой простой нейрон. Во-первых, мы предполагаем, что эта мембрана представляет собой голый липид без ассоциированных с мембраной белков. Из-за гидрофобности бислоя заряженные частицы не могут диффундировать через мембрану.

2. Клетка омывается внутри и снаружи раствором, содержащим множество ионов (заряженных атомов), включая натрий (Na+), калий (K+), хлорид (Cl-) и кальций (Ca2+). Как мы отмечали выше, эти ионы не могут пройти через мембрану без «помощи».

3. Теперь мы добавляем в мембрану белок ионного насоса , который будет выкачивать ионы натрия и вводить ионы калия. Этот конкретный насос, Na-K-АТФаза , создает избыток ионов натрия снаружи клетки и избыток ионов калия внутри.

4. Теперь добавим к мембране калиевый ионный канал . Этот белок создает пору в мембране, которая пропускает только ионы калия. Пора этого конкретного белка всегда открыта. Теперь все становится захватывающим...

5. Что делают ионы калия теперь, когда они могут пройти через мембрану? Ионы будут двигаться на основе сил, создаваемых их электрохимическими градиентами . Насос создал химический градиент, поместив внутрь избыток К+, поэтому ионы К+ начинают вытекать через ионные каналы. Но ионы К+ заряжены положительно, поэтому, когда они вытекают, положительный заряд начинает накапливаться снаружи, а отрицательный — внутри. Этот электрический градиент противодействует химическому градиенту, стремясь втянуть ионы К+ в клетку, в то время как химический градиент вытягивает ионы К+ наружу. Приток и отток достигают равновесия при потенциале Нернста ., где электрические и химические силы равны. Для физиологических концентраций ионов К+ равновесный потенциал К+ составляет около -80 мВ или -90 мВ. Это означает, что ионы К+ будут течь до тех пор, пока внешняя сторона клетки не станет на 80-90 мВ более положительной, чем внутренняя. Мы начали с 0 мВ, поэтому ионы К+ в основном вытекают.

6. Теперь у нас есть мембранный потенциал , разница электрических потенциалов внутри и снаружи клетки около -80 мВ (обычно ближе к -70 мВ или -60 мВ в "реальной жизни"). В частности, этот мембранный потенциал представляет собой потенциал покоя , который существует, когда клетка неактивна. Сейчас мы можем упростить и представить себе, что потенциал покоя определяется проницаемостью мембраны в состоянии покоя для ионов калия, но не для ионов натрия. Мы называем эту мембрану поляризованной, и поэтому деполяризация — это когда мембранный потенциал становится более положительным, а гиперполяризация — когда мембранный потенциал становится более отрицательным.

7. Теперь мы добавляем к мембране потенциалзависимый натриевый канал , ионный канал, который пропускает только ионы натрия, но обычно закрыт. Потенциал-гейт означает, что этот ионный канал чувствителен к мембранному потенциалу. При потенциале покоя пора закрыта, и мембрана все еще непроницаема для ионов натрия. Когда мембранный потенциал становится немного более положительным, каналы открываются, и ионы натрия могут течь. Этот канал также инактивируется , поэтому, когда он открывается, он открывается только на короткий период времени, пропуская ограниченное количество натрия.

8. В каком направлении будет течь натрий, когда мы откроем этот канал? Из-за отрицательного потенциала покоя (-70 мВ) и избытка ионов натрия снаружи из-за насоса, как электрический, так и химический градиенты будут направлять ионы натрия в клетку. Равновесный потенциал натрия обычно составляет около +60 мВ.

9. Чтобы завершить механизм генерации потенциала действия, мы также добавили к мембране потенциалзависимый калиевый канал . Он работает так же, как потенциалзависимый натриевый канал, который также закрыт в состоянии покоя и открывается, когда мембранный потенциал становится более положительным. Этот канал открывается немного медленнее, чем натриевый, но не инактивируется.

Создание потенциала действия

Хорошо, так как же эти части собираются вместе, чтобы создать электрический импульс?

1. Клетка находится на мембранном потенциале покоя, при этом все потенциалзависимые каналы закрыты. Он получает сигнал от клетки выше по течению, что вызывает небольшую деполяризацию. Потенциал действия инициируется, когда мембранный потенциал достигает порогового потенциала .

2. При пороговом потенциале потенциалзависимые натриевые каналы открываются, пропуская ионы натрия в клетку. Поток натрия тянет мембрану от потенциала покоя (-70 мВ) к потенциалу равновесия натрия (+60 мВ). Эти значения далеко друг от друга, поэтому движущая сила велика, и мембрана быстро деполяризуется. Это потенциал действия вверх .

3. Деполяризация также активирует (немного медленнее) потенциалзависимые калиевые каналы. Ионы калия вытекают и отталкивают деполяризованную мембрану (около +20 мВ на пике потенциала действия) обратно к калиевому равновесному потенциалу (-80 мВ). В то же время натриевые каналы инактивируются, так что натрий больше не деполяризует мембрану. Скорость реполяризации обычно ниже скорости деполяризации. Это потенциал действия вниз .

4. Весь процесс цикла деполяризации/реполяризации потенциала действия занимает около 2-3 миллисекунд в «среднем» нейроне. Как только клетка снова достигает потенциала покоя, мембрана в основном сбрасывается. Потенциалзависимые каналы отключены. Ионный насос перемещает ионы калия, которые вытекают, и ионы натрия, которые втекают. Этот участок мембраны готов запустить новый потенциал действия!

В качестве последнего замечания я упомяну, что потенциалзависимый натриевый канал обеспечивает механизм распространения потенциала действия вниз по аксону. Потенциал действия инициируется в одном месте клетки и вызывает деполяризацию. Эта деполяризация заставляет потенциалзависимые натриевые каналы в соседних областях мембраны открываться и генерировать собственный цикл потенциала действия. Вот как потенциал действия распространяется по аксонам (а иногда и по дендритам).

Итак, давайте введем некоторые ключевые слова.

«Электрический импульс», который «посылается между мозгом и нервами», называется потенциалом действия (ПД). Затем он распространяется по нервному волокну до органа-мишени.

По сути, нервная клетка имеет тело и несколько длинных протяженных структур, которые «вырастают» из тела клетки. Дендриты получают сигналы от других клеток и передают сигналы к телу клетки, создавая слабые электрические токи. Аксон представляет собой единый « отросток», который обычно намного тоньше и длиннее дендритов и передает потенциалы действия от тела клетки к клеткам-мишеням и органам. Длина некоторых аксонов может достигать 80-90 см (представьте себе!)! В месте выхода аксона из тела нервной клетки имеется небольшое выпячивание, называемое аксонным холмиком .

AP возникает в специальной части аксона, называемой начальным сегментом аксона (AIS) . Начальный сегмент представляет собой первую часть аксона, поскольку он покидает тело клетки и располагается сразу после аксонного холмика.

Электрический импульс — это короткий электрический разряд, который можно рассматривать как внезапное перемещение множества заряженных частиц из одного места в другое. В наших клетках есть ионы Na ⁺ (натрия), K ⁺ (калия) и Cl ^- (хлорида) (а в некоторых случаях также Ca ²⁺ ), которые составляют эти заряженные частицы.

Для этих частиц существует два типа движущих сил: помимо градиента потенциала , например, разницы в общем заряде в двух разных местах, существует также другая сила, называемая градиентом концентрации , например, разница концентрации в двух разных местах. Эти силы могут указывать в противоположных направлениях, и, таким образом, используя одну силу (скажем, градиент концентрации), мы можем влиять на другую.

Здесь опять же нужна так называемая полупроницаемая мембрана , это всего лишь барьер для ионов, но только для специфических. Нам это нужно, потому что наши основные ионы — Na ⁺ и K ⁺ — оба заряжены положительно. Поэтому клеточная мембрана действует как полупроницаемая мембрана, пропуская К ⁺ внутрь клетки, а ионы Са2 ⁺ наружу, но не наоборот. Таким образом, мы имеем два градиента концентрации : Na ⁺ (снаружи — пик) и K ⁺ (внутри — пик).

Чтобы запустить импульс, нам нужно инициировать массивный ионный дрейф из одного места в другое. Это делает клетка, и первым событием здесь является резкое изменение (увеличение) проницаемости для ионов Na ⁺ . Ионы Na ⁺ массово проникают в клетку и их заряды, перемещаясь внутрь клетки, формируют восходящий импульс потенциала действия .

Защитный механизм клетки немедленно начинает работать против инвазии Na ⁺ и открывает резервные шунты – К ⁺ -каналы. K ⁺ покидает клетку, унося с собой часть заряда, что проявляется в распаде потенциала действия. Но калиевые каналы, как правило, медленнее, поэтому спад пульса более ровный, не такой резкий, как подъем.

Вы можете задаться вопросом: что же тогда вызывает быстрое изменение проницаемости мембраны? Здесь есть несколько факторов, которые могут способствовать этому процессу.

1. Возможна замена мембраны. Натриевые и калиевые каналы чувствительны к напряжению , а это означает, что если вам удастся изменить потенциал покоя мембраны, сформированный из-за градиентов концентрации и обычно составляющий от -90..-80 мВ (милливольт) до примерно -40 мВ, это сработает. натриевые каналы. Так распространяется импульс - зародившись в одном месте, он просто снижает потенциал покоя соседнего участка мембраны, там натрий поступает в клетку и ПД распространяется по нерву. AIS является местом инициации AP, потому что эта часть клетки имеет очень высокую плотность потенциалзависимых натриевых каналов.

2. Химические агенты, называемые нейротрансмиттерами, могут быть обнаружены рецепторами на клеточной мембране. Некоторые из этих рецепторов сами по себе являются ионными каналами и открываются непосредственно при связывании нейротрансмиттера. Другие рецепторы действуют посредством внутриклеточных сигналов, открывая ионные каналы. Так появляется сигнал в местах контактов нервных клеток — нейротрансмиттеры, вроде ацетилхолина или адреналина, как раз и действуют здесь как триггеры проницаемости мембран.